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IAHR CIC
XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012
ESTIMACIÓN DEL ÍNDICE DE VULNERABILIDAD POR INUNDACIÓN
COSTERA EN EL ESTADO DE TABASCO
Miguel Ángel Laverde Barajas1, Adrián Pedrozo Acuña
1, Fernando J. González Villareal
1
1Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria, Coyoacán, 04510, D.F.,
México
[email protected]; [email protected]; [email protected]
RESUMEN:
El análisis de vulnerabilidad costera por efecto de la inundación en el Estado de Tabasco,
representa un insumo fundamental en la gestión del riesgo producido por la incidencia de
fenómenos hidro-climáticos extremos. En este trabajo se evalúa la vulnerabilidad costera a través
del análisis en las relaciones dinámicas de las variables costeras en función a las presiones
ambientales que se ejercen. El trabajo se encuentra dividido en tres secciones, la primera consiste en
la caracterización de los forzamientos que inciden sobre la zona costera, en la segunda se contempla
la evaluación de la respuesta de la playa en términos de inundación, por último, la tercera determina
el índice de vulnerabilidad asociado. Los índices de vulnerabilidad son evaluados considerando
cuatro escenarios de marea de tormenta de diferente intensidad, asociados a diferentes periodos de
retorno. El ejercicio que se presenta, permitió establecer las variables que dominan la fragilidad de
la zona costera ante la inundación. Los resultados indican que las regiones más vulnerables ante la
inundación costera del Estado, son las correspondientes a la desembocadura del río Tonalá, la barra
de Sánchez-Magallanes, la boca de la laguna de Mecoacán y la desembocadura del río Grijalva. La
metodología propuesta, de fácil implementación, es completamente transferible a otras regiones del
mundo.
ABSTRACT:
It is acknowledged that a vulnerability analysis due to coastal flooding, represents a key input for
the generation of proper risk management strategies in the Mexican State of Tabasco. In this paper,
the estimation of the vulnerability index, is carried out through a Pressure-response-pathway
methodology, which considers a careful analysis of the dynamic relationship between driving
pressures and effects on the coastal environment. For this, the work is divided into three sections:
the first is designed to characterise forcing mechanisms, the second considers the evaluation of the
beach response in terms of flooding and the third determines the associated vulnerability
index. Moreover, these indexes are evaluated considering four scenarios of storm surge intensity
related to different return periods. This enabled the identification of driving variables, which
determine the fragility of the coastal area due to flooding. Results indicate that in the coastal zone of
Tabasco the most vulnerable regions to flooding are the Tonala river-mouth, Sanchez Magallanes
coastal barrier, Mecoaca's lagoon mouth, aswell as the Grijalva River-mouth. The proposed
methodology, easy to implement, is fully transefable to other regions in the World.
PALABRAS CLAVES: Vulnerabilidad costera, Ascenso máximo, marea de tormenta.
INTRODUCCIÓN
Es innegable que el planeta se encuentra en un proceso de transformación de las condiciones
climáticas hacia panoramas más severos. De acuerdo con el Panel Intergubernamental sobre el
Cambio Climático (IPCC), nos encontramos en una era de adaptación de los sistemas naturales y
humanos a fin de enfrentar procesos climáticos más severos. En el caso de los sistemas litorales, el
proceso de adaptación va encaminado al incremento en la tasa de erosión costera, los procesos de
intrusión salina en estuarios y acuíferos, y el aumento del riesgo de inundación en zonas costeras,
siendo este último el más destructivo.
En el caso de México, y más específicamente en el Estado de Tabasco, los efectos del
proceso del cambio climático son notables. Durante la última década, el Estado ha sido afectado por
un gran número de fenómenos hidrometeorológicos. En los años de 2007, 2008 2009 y 2010 se han
presentado grandes inundaciones, de las cuales, el año de 2007 ha sido el de mayor impacto en su
historia (cerca del 70% de las tierras bajas inundadas y en algunas zonas cotas con profundidades
de hasta 4 m Aparicio et al, 2009). En las zonas litorales, los impactos de las inundaciones son
potencializados por el gran número de asentamientos urbanos y complejos industriales que se
ubican en estas zonas. Es por esto que ante la posibilidad ocurrencia de un fenómeno extremo, los
daños en estas zonas serían innumerables. Esta condición hace necesario identificar los usos y
recursos costeros potencialmente vulnerables, de manera que se permita identificar las necesidades
de protección/mitigación/adaptación a lo largo de la costa a la acción de los diferentes agentes
dinámicos tanto de forma individual integrada (Jiménez et al., 2009).
La vulnerabilidad costera es definida como el potencial que tiene un sistema costero a ser
dañado (Jiménez et al., 2009). Este potencial, en el caso de la inundación, hace referencia a la
ocupación temporal de tierras por aguas que se encuentra fuera de sus confines naturales y que
puede producir una amenaza o un daño. En consecuencia, se puede caracterizar el potencial de
inundación costera por medio de la elevación máxima del agua durante una tormenta, la cual, puede
ser estimada por medio de dos parámetros principales: el ascenso máximo del oleaje y la marea de
tormenta.
En términos generales, se puede definir al ascenso máximo del oleaje como la extensión
vertical máxima a la que llegan las olas sobre la playa, por encima del nivel medio del mar (NMM).
Los valores de ascenso máximo dependen de la pendiente de una playa, rugosidad, porosidad y la
existencia o no de una berma o duna, además de la geometría del oleaje incidente (Shore Protection
Manual, 1984). Por otra parte, se define a la marea de tormenta, como el incremento en el nivel
medio del mar cerca de la línea de costa que es resultado del gradiente de presiones generado por el
viento (ej. huracanes o frentes fríos) sobre la costa. A pesar de que en el Golfo de México, el rango
de marea es micro-mareal, es importante señalar que el fenómeno asociado a la marea de tormenta
en Tabasco, puede producir inundación severa en zonas bajas cerca de la costa, tal y como se ha
observado en la isla de Andres García en la boca lagunar de Mecoacán (Figura 1).
Figura 1. Desalojan a habitantes de isla Andrés García, Tabasco debido a la marea de tormenta (tomadas del periódico La Cronica de Hoy, http://www.cronica.com.mx/galeria/categories.php?cat_id=250)
El objetivo principal de este estudio, consiste en estimar un índice de vulnerabilidad por
inundación costera en el Estado de Tabasco, México. Este objetivo abarca el desarrollo de una
metodología que identifique el factor potencial por inundación costeras ante el ascenso máximo del
oleaje y la marea de tormenta, así como la caracterización de intensidad de vulnerabilidad de cada
tramo de de la zona costera del estado.
ÁREA DE ESTUDIO
El Estado de Tabasco se encuentra localizado en el sureste del país, entre los 17° 15’ y 18°
39’ de latitud norte y entre los 90° 59’ y 94° 08’ de longitud oeste. Limita al norte con el Golfo de
México, al sur con el estado de Chiapas, al oeste con el estado de Veracruz y al este con el estado
de Campeche y la República de Guatemala. (Figura 2)
La zona costera del Estado de tabasco tiene una extensión de 191 km. Su territorio
comprende una gran extensión de planicies planas, bajas y muy bajas, con pendientes menores a
0.5°. A lo largo de la línea costera existe una gran diversidad de formaciones morfológicas, entre las
cuales predominan las playas bajas y arenosas (Hernández-Santana et al. 2008).
En general el clima tabasqueño es muy cálido y húmedo, con lluvias durante la mayor parte
del año, con precipitaciones anuales comprendidas entre los 1500 y 200 mm. El periodo de lluvias
más fuerte es durante el verano y en otoño e invierno, las tormentas van acompañadas de fuertes
vientos provenientes de Golfo de México, los cuales son responsables de las inundaciones en la
zona. El clima promedio anual es superior a los 26°C y con una máxima temperatura de 42°C.
Figura 2. Ubicación zona costera del estado de Tabasco, México.
METODOLOGÍA
La estimación del índice de vulnerabilidad por inundación costera, es basada en un modelo
tipo PER (presión, estado, respuesta), desarrollado por Mendoza (2008) para la evaluación de la
vulnerabilidad costera por inundación ante tormentas en las costas de Cataluña España. Conforme a
este modelo, la vulnerabilidad se puede evaluar mediante la relación dinámica de las variables
costeras, en función a las presiones ambientales que se ejercen.
El desarrollo metodológico utilizado para la estimación de la vulnerabilidad costera muestra
en la figura 3. Conforme a esta figura, la estimación se encuentra esquematizado principalmente en
tres pasos, la caracterización de la zona costera, la determinación la respuesta de la playa en
términos de inundación, y la estimación de la fragilidad de la zona costera representada a partir de
un índice vulnerabilidad
Figura 3 Esquema metodológico para estimar la vulnerabilidad de las zonas costeras por inundación
Caracterización de la Zona Costera
Antes de evaluar el potencial de inundación, es necesario evaluar el estado de la zona costera
de Tabasco. Para este propósito, se utilizan parámetros geométricos que definen el grado de
estabilidad de las playas en los puntos seleccionados a lo largo de la costa del estado.
Pendientes y anchos de playa:
EL cálculo de las pendientes de playa fueron calculadas a través de diferentes Modelos
Digitales de Elevación (resoluciones de 5,10 y 20 metros) y extraídos mediante nubes de puntos
LIDAR del terreno. El procesamiento de las imágenes fue ajustado con ayuda de imágenes
satelitales LANDSAT para la identificación de la variación de las profundidades de la zona de
playa.
La obtención de los anchos de playa en cada punto de control fueron determinados por
medio de imágenes de satélite georeferenciadas QuickBird de 0.5m de resolución espacial. El ancho
medido digitalmente se definió como la distancia horizontal entre la zona de dunas (inicio de la
playa) y hasta la zona de lavado (frontera entre mar y playa). La Figura 4 presenta un ejemplo de las
imágenes satelitales Quickbird (imagen a) y los modelos digitales de elevación (Imagen b)
utlizados en la zona del municipio de Tonalá.
Figura 4. a) Imagen pancromática de satélite QuickBird georeferenciada a escala 1:12000 para la estimación del ancho de playa
2009-03-31. b) Imagen satelital LiDAR de 20 m de resolución para el cálculo de pendiente de playa
Sensibilidad de la playa
Con el objetivo de considerar la importancia de las zonas socioeconómicas localizadas a lo
largo de la línea de costa del Estado, se definió una variable de sensibilidad de playa de tal suerte
a) b)
que se pudiera relacionar la vulnerabilidad por inundación con las características socioeconómicas
de cada punto. Su definición se realizó a partir de la clasificación de cada sector de la línea de costa
con un número que refleja la característica física de la zona.
Este coeficiente representa un valor de sensibilidad de playa con base en las repercusiones
que se podrían tener, en caso de que se presente una inundación costera. En la ponderación se
determinó como condiciones más sensibles a aquellas áreas donde existen zonas pobladas. Así
entonces, si existe el riesgo de perder vidas humanas, se considera un incremento en el índice de
vulnerabilidad respecto al que se calcula en áreas no urbanizadas. La Tabla 1 muestra la definición
de la clasificación utilizada, junto con su respectivo factor de ponderación, para el cálculo de esta
variable. Tabla 1 Valores de la variable SP conforme a las características de playa
No. CARACTERISTICA SP
1 Playas adosadas a zonas pobladas en barras,
islas de barrera etc. 0.1
2 Playas adosadas a zonas pobladas y/o de
importancia económica 0.5
3 Playas adosadas a formaciones de islas-
barrera, flechas litorales, deltas 0.75
4 Playas adosadas a planicies sedimentarias,
paleo dunas, humedales 1
Determinación de los forzamientos marítimos y de la respuesta de la playa
Condiciones de oleaje extremo
Para la definición de las condiciones de oleaje extremo a lo largo de la costa del Estado de
Tabasco, se utilizaron los valores de altura de ola máxima registrados durante los últimos 60 años, a
partir de la información de los puntos más cercanos a la costa, de acuerdo con el Atlas de Clima
Marítimo de la Vertiente Atlántica Mexicana desarrollado por Silva (2008). La Figura 5 presenta la
ubicación geográfica de los puntos seleccionados dentro del atlas.
Este atlas contiene la información histórica del comportamiento del oleaje extremo durante
los últimos 60 años (1948 -2007). En este sentido, la definición de las condiciones de oleaje
extraordinarias utilizadas en este estudio, fueron definidas a partir del valor de altura de ola máxima
significante y su periodo asociado reportado en esos cuatro puntos. Para ello, se utilizó el valor
promedio de un tercio de las 60 peores tormentas reportadas en toda la historia.
Figura 5. Panel superior - Ubicación de los puntos de información de las condiciones de oleaje; panel inferior – Alturas
de ola significante media registrada en cada punto a lo largo de la costa tabasqueña.
1950 1960 1970 1980 1990 2000 20101
2
3
4
5
6
Hs
me
dia
(m
)
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 20101
2
3
4
5
6
Hs
me
dia
(m
)
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 20101
2
3
4
5
6
Hs
me
dia
(m
)
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 20101
2
3
4
5
6
año
Hs
me
dia
(m
)
P0126
P0149
P0172
P0195
Ascenso Máximo (Run-up)
En la estimación del ascenso máximo del oleaje fueron utilizados tres diferentes ecuaciones
desarrolladas para la estimación del runup para playas de arena Holman y Sallenger (1985),
Stockdon et al. (2006), Nielsen y Hanslow (1991). La selección de estas ecuaciones fue establecida
tomando como base la utilización de estas formulaciones en playas con características similares a la
costa estudiada. En la tabla 2 se muestra las características de las formulaciones realizadas por los
autores y su correspondiente ecuación.
Tabla 2 Formulas seleccionadas para la estimación del ascenso máximo
AUTOR PEND.
PLAYA
TIPO
DE OLA ELABORACIÓN ECUACIÓN
STOCKDON Y HOLMAN
2006 - Irregular Campo
playa extremadamente disipativas ξ >0.3
NIELSEN Y HANSLOW
1991
Naturales con
playas de arena
La media de
tamaño de grano = 0,18 a
0,8 mm
Irregular Campo
R2%: C=1.98 Lzum=0.6(HormsLo)0.5tan f f > 0.1
Ṝ: C= 0.89 Lzum=0.05(HormsLo)0.5 f < 0.1
HOLMAN Y SALLENGER
1985 - Irregular campo
ξ
Para la selección del método de runup para las playas de tabasco, se compararon las
estimaciones realizadas por los autores y se ajusto a la formulación promedio. A partir de este
análisis se pudo identificar que las formulaciones de Nielsen-Hanslow y Holman-Sallenger
muestran niveles muy altos y muy bajos respectivamente. En el caso de la ecuación propuesta por
H. Stockdon estima valores de runup entre 2 y 4 metros. En la figura 6 se muestra los valores de
runup para cada segmento de playa.
Figura 6 Valores de ascenso máximo en condiciones extremas de oleaje para cada punto de control
Marea de tormenta
Además del ascenso máximo, la metodología propuesta contempla la consideración de la
sobre elevación del nivel medio del mar como resultado de la acción de frentes fríos, nortes y
huracanes sobre las costas. La acción de estos eventos extremos se toma en cuenta por medio del
nivel de marea de tormenta asociado a estos fenómenos meteorológicos. A fin de establecer
diferentes escenarios de posibles sobre elevaciones del nivel medio en las costas, se consideraron 3
niveles de marea de tormenta para el análisis. Esto permite la evaluación del impacto de este
fenómeno sobre el cálculo de un potencial de inundación costera. Para este estudio los niveles de
marea de tormenta considerados son de 0.5m, 1.0m y 1.5 m sobre el nivel del mar. La justificación
en la selección de estos valores se hizo con base en el análisis estadístico presentado por Durán
(2010) para el análisis del peligro por marea de tormenta en la vertiente atlántica mexicana, en el
que estas sobre elevaciones en el nivel medio del mar tienen asociadas probabilidades de (100, 500
y 1000 años de periodo de retorno).
Calculo del índice potencial por inundación (IPI)
El potencial de inundación de una tormenta puede definirse como el potencial temporal de
inundación de las zonas costeras, debido a la acción de las olas durante una tormenta (Figura 7). La
evaluación de la vulnerabilidad a las inundaciones consiste básicamente en evaluar qué extensión
de la zona costera es susceptible a ser inundada por la acción de una tormenta. Así el cálculo del
IPI se define por medio de la ecuación
(1)
Donde Ru es el ascenso máximo estimado para el tipo de playa, es la desviación estándar del
ascenso máximo, es un factor de seguridad deseado en la playa, BH es la máxima altura de la
cresta de la playa o duna y SP es el parámetro de sensibilidad de playa
Figura 7 Esquema de variables de interés en función de la vulnerabilidad por inundación
Índice de Vulnerabilidad por Inundación Costera para el Estado de Tabasco (IVI)
Una vez calculados los índices potenciales de inundación en cada punto, estos valores
fueron evaluados según la intensidad y los niveles de daño a fin de obtener un índice de
vulnerabilidad por inundación asociado.
Esta evaluación se realizó por medio de una escala de intensidad que relaciona los índices
potenciales de inundación con los niveles de daño que se pueden tener. La Figura 8, presenta la
escala de intensidad y los niveles de daño asociados.
Figura 8. Función de relación entre los índices potenciales y los parámetros de vulnerabilidad
RESULTADOS
Una vez calculados y estimados todas las variables necesarias para el cálculo del IVI, los
resultados fueron evaluados y procesados en mapas de vulnerabilidad para diferentes intensidades
de marea de tormenta (+0.0, +0.5, +1.0 y +1.5m). A continuación se muestran los resultados
obtenidos para cada nivel evaluado.
Mapa IVI para la incidencia del oleaje extremo
Los resultados obtenidos para la costa de Tabasco ante sólo la incidencia del oleaje extremo,
es decir, sin la presencia de marea de tormenta, reflejan en general una vulnerabilidad muy baja y
baja (cerca al 65%). En áreas de desembocadura de algunos ríos y sistemas lagunares, la ausencia
de playa ocasiona la gran vulnerabilidad de las regiones a la inundación costera, índices altos y muy
altos. Estas condiciones se pueden ver en las desembocaduras de los ríos Tonalá y Grijalva, y los
sistemas lagunares de Sanchez Magallanes y Mecoacán, lugares en donde se encuentran ubicados
numerosos poblados y municipios. (Figura 9).
Figura 9. Índice de Vulnerabilidad por Inundación (IVI) en condiciones de oleaje extremo, sin marea de tormenta
V
IV
II
I
II
I
Niveles de daño
COLOR
Mapa IVI con sobre elevación por marea de tormenta y oleaje extremo
Los índices IVI con la presencia conjunta de oleaje extremo y marea de tormenta,
condiciones las que se presentan normalmente durante fenómenos extremos como es el caso de los
huracanes, fueron analizados para diferentes niveles de marea de tormenta asociado a los periodos
de retorno de 100, 500 y 1.000 años (Durán, 2010). En la figura 10 se muestra los mapas de
inundación costera y los porcentajes de intensidad asociados al incremento de 0.5, 1.0 y 1.5 m por
marea de tormenta.
Conforme a los mapas obtenidos, se puede evidenciar que la costa es altamente susceptible a
la inundación costera debido a la acción conjunta de la marea de tormenta y el oleaje extremo. Ante
un incremento de +0.5m los niveles de intensidad de IVI se acentúan notablemente en especial en
las zonas de la barra de Sánchez Magallanes. En proporción, las áreas muy altas de IVI se
incrementaron en un 7% mientras que las áreas muy bajas se redujeron en un 2.5%.
Figura 10 Índice de Vulnerabilidad por Inundación (IVI) en condiciones de marea de tormenta de +0.5m, +1.0m y
+1.5m.
Ante el incremento en +1.0 por marea de tormenta, el panorama general de la costa es
marcado por el incremento de intensidad en área ya frágiles como vías intermedias y regiones
aledañas a centros poblados. Se puede observar también en esta condición una pequeña afectación
en áreas de muy bajo IVI disminuyendo su proporción en un 5%.
Finalmente, la condición más extrema evaluada se encuentra plasmada en el mapa de IVI
+1.5m, el cuál, puede representar la incidencia de un huracán de clase 3 sobre la costa. Para esta
condición, los niveles altos y muy altos afectan drásticamente las zonas urbanas cercanas al litoral
tabasqueño. En contraste, las áreas de baja y muy baja IVI son generalmente llanuras aluviales y
planicies (zonas con extensos anchos de playa).
CONCLUSIONES
El objetivo general de este estudio, consistió en la generación y uso de información existente
a fin de caracterizar la vulnerabilidad por inundación de la costa del Estado de Tabasco. Para ello,
se consideró la evaluación en la dinámica de las variables costeras en función a las presiones
ambientales que se ejercen en este caso la inundación de zonas costeras. Este cálculo permite
establecer un índice que caracteriza la vulnerabilidad del litoral ante la inundación.
Dado los diferentes niveles de marea de tormenta que pueden presentarse en la región
(niveles asociados al periodo de retorno de 100, 500, 1000 y a la incidencia de sólo el oleaje
extremo), se identificaron cuatro escenarios de vulnerabilidad por inundación para todo el litoral
Tabasqueño. El análisis de los diferentes escenarios permitió establecer las variables que dominan
la fragilidad de la zona costera ante la inundación.
Los resultados indican una alta vulnerabilidad en las regiones de la desembocadura del río
Tonalá, la barra de Sánchez-Magallanes, la boca de la laguna de Mecoacán y la desembocadura del
río Grijalva. Estas regiones son afectadas principalmente por la acción del oleaje extremo. Por otro
lado, las áreas de planicies y llanuras aluviales, caracterizadas por playas extensas, presentan
índices de vulnerabilidad muy bajos y bajos.
La comparación de los resultados obtenidos para los efectos producidos por la acción de la
marea de tormenta y el oleaje extremo sobre el litoral de Tabasco, determinó que es probable que
este último forzamiento sea más significativo para el incremento de la vulnerabilidad costera. Tal y
como se verifica en los valores estimados del IVI, en los que la acción conjunta de ambos
forzamientos sólo acentúa los valores calculados para el caso de oleaje extremo.
La metodología propuesta en esta investigación es de fácil implementación, además de ser
completamente transferible a otras regiones del mundo.
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